礦用應急通信電纜及使用方法
2023-07-14 21:34:26
專利名稱：礦用應急通信電纜及使用方法
技術領域：
本發明涉及一般用於礦山的礦用應急通信電纜和它的使用方法。具體來說，這種電纜採用輕質材料製成繩狀，多根不絕緣的導線在繩內交織。一根或多根絕緣的導線也可以在繩內交織。
現有的營救陷於礦井下或受傷的礦工的技術，包括從地面或其他安全地域派出一個救援隊設法營救他們。通常救援隊員拖著一卷相當重的二芯絕緣電纜進入礦井。這種重的電纜，經過聲能傳聲器將救援隊與新鮮空氣的基地聯繫起來，把電纜拖入礦內要消耗救援隊員相當大的體力，而且如果救援隊員在礦內遇到障礙物而救援隊後退時，必須使電纜卷繞起來，以防止電纜纏繞或絆住。
格蘭(Gallagher)電子有限公司是紐西蘭的一家企業，研製並已銷售一種重量較輕的電纜。它包括一束合成纖維，其中多根不絕緣的不鏽鋼導線和銅導線與合成纖維相交織。這種輕質電纜用於限制牛、羊的電柵欄。一種類似的含有鋁導線的產品則由加拿大投產使用。據發明者了解，這兩種產品都沒有用於通信方面。
一種利用無線電收發機與已有的礦用布線網絡耦合的中頻無線電通信系統由斯脫拉基克(L.G.Stolarczyk)和屈佛(R.L.Chufo)在一篇題為「礦井下的中頻無線電通信系統」(1981年9月)的文章中作了介紹。在這篇文章中還討論了以前的理論成就，如希爾(D.A.Hill)和維(J.R.Wait)在「應用物理」雜誌第45卷第8期(1974年8月)所發表的論文「在環形坑道內傳輸線的單股和雙股模式激勵」，這篇論文討述了在地下坑道內導線的低損耗信號傳播模式。
本發明的一個目的在於提供一種重量較輕的礦用應急通信電纜。
本發明的另一個目的是這種礦用應急通訊電纜如在礦井中遇到障礙物時可以割斷並重新連接。
本發明的另一目的是提供一種在礦井內進行長距離緊急通信的電纜。
本發明的另一目的是提供一種永久性的礦用應急通信系統的方法。
簡單地說，礦用應急通信電纜的一個較佳實施例包括一種輕質材料，通常是一種合成纖維如尼龍、聚乙烯或凱夫拉(Kevlav)。多根不絕緣的小直徑導線與合成纖維交織。至少一根絕緣的導線也與合成纖維交織以增加傳輸距離。至少兩臺無線電收發機，用一種磁性二極「調諧環」天線連結在收發機上以與電纜感應耦合。
應急電纜由救援隊通過礦井通道時敷設，通常由背在一名救援隊員身上的裝置布設電纜。也可以在事故前在礦井內敷設電纜。至少一臺無線電收發機在有新鮮空氣的基地與電纜耦合，而救援隊員至少帶了一臺無線電收發機，因此救援隊員與有新鮮空氣的基地之間建立了通信聯絡。
如果遇到了自然的障礙物如巖塌而影響營救時，可以將電纜割斷並在其他處重新連接，連結的方法是將要連結的電纜簡單地打一個結。
本發明的一個優點是，應急電纜重量較輕，易於運送。
本發明的另一優點是，應急電纜可以物理地和電氣地割斷和重接，不需要電氣插頭和插座就能進行電氣的和物理連接。
本發明的另一優點是，可在礦井下進行長距離通信。
本發明的另一優點是，應急電纜可以永久地敷設於礦井內。
本發明的還有一優點是，物理裝置可與電纜連接，以指示逃出礦井的路線。
在閱讀了各附圖中示出的較佳實施方案的詳細說明後，本領域的普通技術人員，實現本發明的目的和優點顯然是毫無疑問的。
圖1是用於礦井下的應急通信電纜的示意圖。
圖2是本發明所述的應急通信電纜較佳實施方案的一段。
圖3是沿圖2的3-3線的一股電纜的橫剖面圖。
圖4是本發明所述的應急通信電纜的一種替代實施方案中的一段電纜。
圖5是圖4中的一根絕緣線的橫剖面圖。
圖6是長期敷設於礦井下的應急通信電纜的圖例。
參見圖1，它表示一座地下礦井10，它包括礦床12(堆積著煤、石塊和其他類似物料)所限定的若干通道11。一根應急通信電纜14由一名救援隊員16背著。電纜14由救援隊員16身上配帶的布纜裝置18布纜。救援隊員16身上還帶著一個自給的呼吸器20和一個自帶的無線電收發機22，收發機上連接天線24。
電纜14從有新鮮空氣的基地26沿著通道11直至障礙物28(如巖塌)。電纜14在30這一點被切斷，經重接裝置32將它重新連接起來。
布纜裝置可以是任何器械例如可轉動的卷盤，它應適於布設拖繩如電纜14。無線電收發機22最好是小型中頻(MF)的，它應能接收和發送頻率為300-800千赫範圍內的無線電信號。無線電收發機22也可以是低頻的，能接收和發送頻率為80-300千赫範圍內的無線電信號。天線24最好是垂直調諧環狀磁性二極天線，它能固定到救援隊員16所穿衣服上的物體上。例如天線24可以是一根繞成矩形的線圈，固定到救援隊員16衣服上的一對掛鈎上。
有新鮮空氣的基地26可能是礦井10的某一區域或礦井10外面的營救行動從那裡開始的某一地點。基地無線電收發站34最好能接收和發送300-800千赫頻率範圍的無線電信號，但也可以是低頻收發機。天線36最好是調諧環狀磁性二極天線，這在技術上是已知的。天線用約1.5英寸寬、0.5英寸厚的柔性塑料條(例如聚碳酸脂塑料(Lexan))製造，並使其成為圓形環。圓環用置於塑料槽中的多芯李茲線繞七匝而成。繞完後，其露出的多芯線再用薄塑料條包覆。
重接裝置32是可以將兩根或多根電纜14連接起來的任何裝置。但是完成重接電纜這一任務的一種非常方便的方法是將電纜14打成結，例如方形的結。
在較佳實施方案中，如圖2所示電纜14是一種圓柱形繩狀的構形。由多根纖維40和多股線38編織在一起構成了電纜14。纖維40由質輕強度高的物質如尼龍、聚氨脂、聚脂或凱夫拉(Kevlar)所組成，由一種型式的或多種型式的多根小直徑的不絕緣的導電線42和纖維40交錯卷繞。一根或多根絕緣的導電線44也包括在電纜14內。導電線42和44連續地延伸於電纜14的全部長度內。46是連接兩根電纜14的結，如前所述，結46可以執行圖1所示的重接手段(裝置)32的功能。
電纜14應能在礦井環境下具有高可見性，例如在較佳的實施方案中，纖維40應染成黃色、紅色或其他鮮豔的顏色，當有燈光照時，可與礦井底層對比。也可以將反光的或螢光的材料加入纖維40內。
圖3是從圖2的股線38沿3-3線切下的剖面圖。可以看出，絕緣線44是由電氣絕緣層50圍繞的小直徑導線48所構成。較佳的實施方案中，導線48是用的銅材，而不絕緣的導線42則是用兩種不同的線材。某些導線42用不鏽鋼線，而另一些導線42則用鍍錫銅線。導線42和48的直徑範圍為0.05至3.0毫米，其他的金屬導體也可以用於導線42和48。每一股線38的直徑「d」約為0.10釐米至0.20釐米。在本較佳實施方案中，則電纜14的相應直徑約為0.3-0.6釐米。
圖4所示為扁平構形的電纜54，它是代替電纜14的另一實施方案。在電纜54中，第一束纖維56與第二束纖維58交織，因而在部分長度中互相垂直。一束不絕緣的小直徑金屬導線60延伸於電纜54的整個長度，它與纖維56平行，而與纖維56和58交織。一根或多根絕緣線62也包括在電纜54內。電線62連續地延伸於電纜54的整個長度而與纖維56和導線60平行，而與纖維56和58交織。電纜54的扁平結構的寬度W約為1.2釐米。
圖5是一根絕緣線62的剖面圖，小直徑的金屬導線外面覆有電氣絕緣層66。
電纜54中的電線60和62分別與電纜14中的電線42和44類似(見圖2)，因此，電線60和62的尺寸和組織也分別與電線42和44一樣。此外，同樣的組織和顏色的要求可適用於電纜14和54。如前所述，電纜14和54(不包括絕緣線44和62)是由紐西蘭哈密爾頓的格蘭(Gallagher)電子有限公司生產的。
圖6所示為礦井70，礦用應急電纜14裝置於序號為72的多個牆壁上，其高度應能使試圖跑出礦井的礦工容易接觸到。電纜14懸掛於牆壁72上形成一個大圈。
牆壁72鄰接一個進入通道74和一個返回通道76。按美國礦業法的要求，進入通道74和返回通道76交叉處應予隔開，例如用磚砌的牆78。這樣，電纜14在牆78處被物理切斷，在靠近牆壁78處電纜14的兩端形成了一對線圈80。
一對基地站無線電收發機82經天線84與電纜14耦合，無線電收發機和天線84的規範分別與圖1的基地站收發機34和天線36一樣。收發機82中的一臺靠近進入通道的入口86，而另一臺收發機82則靠近返回通道的入口88。一對相隔較遠的聲頻裝置90位於礦井70的外面，能與收發機82電氣連接。
若干物理指示裝置92與電纜14相連。裝置92能物理指示有關礦井逃出路線的信息(以數字、文字或其他信號的形式)，這些信息可能是距地面的距離、方向或可以替代的逃出路線的位置或通氣口。
圖1所示礦用應急電纜14的功能概述於下。礦井救援過程中，按救援程序由救援隊員16從有新鮮空氣的基地26將電纜14掛在身上。磁性二極天線如24和36與電纜14感應耦合，並在附近的導線如圖2的不絕緣導線42和絕緣線44內激勵發出強的單線電流。這樣電纜14執行著輸電線的功能，使無線電收發機22和34之間可以進行無線電通信。
如果電纜14破裂或被割斷，如在圖1的點30處，將電纜14的兩端捆在一起，使導線42的兩端彼此靠近，容許發生感應耦合，這樣不絕緣導線能使電纜14迅速恢復作用。例如在電纜14上打結46，可以當作圖1中的重結裝置32。導線42的不鏽鋼線有助於感應耦合，而其中的鍍錫銅線則有助於信號的傳播。導線42最好採用不易與其他材料反應的導電金屬如不鏽鋼或合金(如鍍錫銅)等，以經受高化學反應的礦井環境。
在電線42和44中感應的電流在電纜14內每一根電氣導體內流向相同(單線模式)。返回電流經過礦井10周圍的導電性能極弱的巖石，信號能量損失很大，無線電通信雖然可能進行，但它的距離受到限制。
導線返回電流有助於無線電信號傳播的低損耗雙線傳播模式，增加可用無線電通信的距離。如果改變電線42和44的特性阻抗(波阻抗)，信號傳播模式可從單線轉變為雙線傳播模式，例如，可以通過改變電線42和44之間的間距來達到阻抗變化。特性阻抗的改變會發生反射波，它能導致部分波能返轉並沿著電纜逆向轉播。這就形成了雙線信號傳播模式。
絕緣線44比不絕緣的導線42能更有效地促進雙線傳播模式的形成。這樣，在電纜14中包括絕緣線44能使無線電通信的距離大於2000英尺。
如果礦用應急電纜製成如圖4所示的扁平帶式電纜54，不絕緣的導線60和絕緣線62有助於在短距離內實現雙線傳播模式。然而，如果礦用應急電纜是如圖2所示的圓柱形繩狀構形的電纜14，則某些不絕緣的導線42在某一段發生短路是可能的。這樣就阻礙了這一段電纜的雙線傳播。由於電纜14中包括絕緣線44，因此可以保證雙線傳播模式的實現。在扁平帶式電纜54中，絕緣線62給雙線傳播模式提供了一個重複的模式。
圖6表示電纜14的另一種應用。一般的煤礦都有入口，如返回通道76，它被指定為逃出通道。電纜14可能永久性地懸掛於通道76和74中容易接觸的高度，以使礦工能使用它作為「救生索」。如通道76和74發生充滿煙氣的事故時，礦工們就能摸索離開礦井的出路。每隔一段適當的距離，物理指示裝置可以連接電纜14以指示如逃出礦井70的方向、自給呼吸裝置的位置或替代的逃出路線等信息。
隨身攜帶無線電收發機22和天線24的礦工(見圖1)可經過圖6的電纜14與收發機82聯繫。聲頻裝置90可以讓人在礦井70外監控通信。電纜14可以敷設成環形大圈，它即使割斷也不會完全破壞電纜14的通信能力。線圈80在隔牆78的兩側，它儘管為牆78所隔開，但仍能使感應的信號耦合。
雖然本發明已按目前較佳的實施方案作了描述，應該理解到所揭示的內容不能認為是受到限制。對本領域的技術人員來說，閱讀了上述說明書後，不同的替代方案和修改方案都是顯而易見的。相應地，所附的權利要求包括了屬於本發明精神實質和範圍的所有替代方案和修改方案。
權利要求
1.一種礦用救援電纜包括由高強度的輕質材料的至少一股線束組成的一根繩狀物。多根不絕緣導線與高強度輕質材料相交織，不絕緣的導線連續地貫穿於礦用救援電纜的整個長度；和至少一根絕緣的導線與高強度輕質材料交織，絕緣線連續地貫穿於礦用救援電纜的整個長度。
2.按照權利要求1的礦用應急電纜其特徵在於，高強度輕質材料包括一種合成材料。
3.按照權利要求2的礦用救援電纜，其特徵在於，所述的合成材料包括尼龍。
4.按照權利要求2的礦用救援電纜，其特徵在於，所述的合成材料包括凱夫拉(Kevlar)。
5.按照權利要求2的礦用救援電纜，其特徵在於，所述合成材料包括聚乙烯。
6.按照權利要求1的礦用救援電纜其特徵在於，不絕緣的導線包括不鏽鋼。
7.按照權利要求1的礦用救援電纜其特徵在於，不絕緣的導線包括鍍錫銅。
8.按照權利要求1的礦用救援電纜其特徵在於，不絕緣的導線包括至少一根不鏽鋼線和至少一根鍍錫銅線。
9.按照權利要求1的礦用救援電纜其特徵在於，絕緣線中包括銅。
10.按照權利要求1的礦用應急電纜其特徵在於，電纜的顏色是高可見性的顏色。
11.一個礦用救援系統包括一根輕質的繩向礦井內延伸一段距離，這根繩包括多根不絕緣的導線在繩內交織，該不絕緣導線連續地貫穿於繩的整個長度;和至少兩臺無線電收發機與輕質的繩感應耦合。
12.按照權利要求11的礦用救援系統還包括至少兩根天線使無線電收發機與輕質繩耦合。
13.按照權利要求11的礦用救援系統還包括至少一根絕緣導線交織於繩內，該不絕緣導線連續地貫穿於繩的整個長度。
14.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，無線電收發機為中頻收發機。
15.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，無線電收發機為低頻收發機。
16.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，繩包括至少一股合成材料線束。
17.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，不絕緣的金屬線包括鍍錫銅。
18.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，不絕緣的金屬線包括不鏽鋼。
19.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，不絕緣的導線包括至少一根不鏽鋼線和至少一根鍍錫銅線。
20.按照權利要求11的礦用救援系統其特徵在於，繩染成高可見性的顏色。
21.按照權利要求11的礦用救援系統還包括至少一根磁性二極天線與一臺無線電收發機電氣連接，以使收發機與輕質繩耦合。
22.按照權利要求20的礦用救援系統其特徵在於，至少一根磁性二極天線包括第一個用聚碳酸脂材料帶製成的環路，用多芯的李茲線的線匝繞於所述環上，第二根聚碳酸脂帶則用於包覆所述顯露的李茲線。
23.按照權利要求13的礦用救援系統其特徵在於，絕緣線包括銅。
24.一種在礦井救援隊和新鮮空氣基地之間進行通信的方法包括a，設立一個有新鮮空氣的基地;b，向礦井派出機動救援隊;c，救援隊員布設第一段輕質繩，繩包含多根小直徑的不絕緣導線，所以輕質繩從救援隊員延伸至有新鮮空氣的基地;和d，至少兩臺無線電收發機與輕質繩耦合，這樣救援隊員與有新鮮空氣的基地之間就建立了無線電通信的聯絡。
25.按照權利要求24的方法還包括a、當救援隊員遇到障礙時割斷第一段輕質繩;b、將第二段輕質繩與第一段輕質繩連結。
26.按照權利要求25的方法其特徵在於，用打結的方法將第二段輕質繩與第一段輕質繩連接。
27.按照權利要求24的方法還包括a、第一段輕質繩內包括單線和雙線無線電信號。
28.在礦井中建立應急通信系統的方法包括a，將一根包括多根小直徑不絕緣導線(它貫穿於整個繩的長度)的輕質繩敷設於若干礦井通道的頂部形成一個大圈，其範圍應是礦工在經過礦井通道時能達到的地方;和b，至少有兩臺無線電收發機與所述的繩耦合，這樣就可以在兩臺無線電收發機之間建立無線電通信聯繫。
29.按照權利要求28的方法還包括a，將指示逃出信息的物理裝置連到所述的繩上。
30.按照權利要求28的方法還包括a，至少使繩有一處斷開以形成一對鬆開的端部;和b，將一對鬆開的線端繞成線圈，這樣這一對線端之間可以建立無線電頻率信號耦合。
全文摘要
一種礦用應急電纜和其使用方法。這種電纜包括一束顏色鮮豔的、高強度輕質合成纖維、多根不絕緣的鍍錫銅線和不鏽鋼線以及至少一根絕緣銅線與合成纖維交織。至少兩臺無線電收發機與電纜感應耦合建立無線電通信聯絡。不絕緣的導線可以使兩根電纜用打結的方法連結。絕緣線有助於雙線無線電通信模式，因而增加了通信距離。電纜也能執行實質上的導向作用，礦工在緊急情況時能順著它到達安全地點。
文檔編號H04B13/02GK1033896SQ88107810
公開日1989年7月12日 申請日期1988年11月17日 優先權日1987年11月17日
發明者拉裡·G·斯託拉齊克 申請人:斯託拉爾公司